материаловедение_вар.11_и. Вопрос вопрос
 Скачать 0.5 Mb.
|
|
СОДЕРЖАНИЕ Вопрос 1 .………………………………………..…………………………………3 Вопрос 2.………………………………………..…………………………………7 Вопрос 3.………………………………………..…………………………………8 Вопрос 4.………………………………………..…………………………..……..9 Вопрос 5.………………………………………..………………………..………12 Вопрос 6.………………………………………..……………………………..…12 Вопрос 7.………………………………………..……………………………..…14 Список литературы………………………………………………………..……..17 Вопрос 1. Начертите диаграмму состояния железо-цементит, укажите структурные составляющие во всех областях диаграммы иопишите превращения, протекающие в стали, содержащей 3% углерода. При медленном охлаждении от 16000С до 200С. В зависимости от температуры и содержания углерода железоуглеродистые сплавы образуют ряд структурных составляющих (фаз): 1. Феррит (Ф) 2. Аустенит (А) 3. Цементит (Ц) 4. Перлит (П) 5. Ледебурит (Л) Основой для определения структуры и свойств железоуглеродистых сплавов является диаграмма состояния железо — углерод (цементит, карбид железа), представленная в упрощенном варианте. Ось концентраций (абсцисс) двойная, она отражает содержание углерода и цементита. Первичная кристаллизация сплавов системы железо-углерод начинается по достижении температур, соответствующих линии ABCD (линии ликвидус), и заканчивается при температурах, образующих линиюAHJECF (линию солидус). При кристаллизации сплавов по линии АВ из жидкого раствора выделяются кристаллы твердого раствора углерода в б-железе (д-раствор). Процесс кристаллизации сплавов с содержанием углерода до 0,1 % заканчивается по линии АН с образованием б (д)-твердого раствора. На линии HJB протекает перитектическое превращение, в результате которого образуется твердый раствор углерода в г-железе, т. е. аустенит. Процесс первичной кристаллизации сталей заканчивается по линии AHJE. При температурах, соответствующих линии ВС, из жидкого раствора кристаллизуется аустенит. В сплавах, содержащих от 4,3 % до 6,67 % углерода, при температурах, соответствующих линии CD, начинают выделяться кристаллы цементита первичного. Цементит, кристаллизующийся из жидкой фазы, называется первичным. B точке С при температуре 1147°С и концентрации углерода в жидком растворе 4,3 % образуется эвтектика, которая называется ледебуритом. Эвтектическое превращение с образованием ледебурита можно записать формулой ЖР4,3Л[А2,14+Ц6,67]. Процесс первичной кристаллизации чугунов заканчивается по линии ECF образованием ледебурита. Таким образом, структура чугунов ниже 1147°С будет: доэвтектических - аустенит+ледебурит, эвтектических - ледебурит и заэвтектических - цементит (первичный)+ледебурит. Превращения, происходящие в твердом состоянии, называются вторичной кристаллизацией. Они связаны с переходом при охлаждении г-железа в б-железо и распадом аустенита. Линия GS соответствует температурам начала превращения аустенита в феррит. Ниже линии GS сплавы состоят из феррита и аустенита. Линия ЕS показывает температуры начала выделения цементита из аустенита вследствие уменьшения растворимости углерода в аустените с понижением температуры. Цементит, выделяющийся из аустенита, называется вторичным цементитом. В точке S при температуре 727°С и концентрации углерода в аустените 0,8 % образуется эвтектоидная смесь состоящая из феррита и цементита, которая называется перлитом. Перлит получается в результате одновременного выпадения из аустенита частиц феррита и цементита. Процесс превращения аустенита в перлит можно записать формулой А0,8П[Ф0,03+Ц6,67]. Линия PQ показывает на уменьшение растворимости углерода в феррите при охлаждении и выделении цементита, который называется третичным цементитом. Следовательно, сплавы, содержащие менее 0,008% углерода (точка Q), являются однофазными и имеют структуру чистого феррита, а сплавы, содержащие углерод от 0,008 до 0,03% - структуру феррит+цементит третичный и называются техническим железом. До эвтектоидные стали при температуре ниже 7270Симеют структуру феррит+перлит и заэвтектоидные - перлит+цементит вторичный в виде сетки по границам зерен. В до эвтектических чугунах в интервале температур 1147-727єС при охлаждении из аустенита выделяется цементит вторичный, вследствие уменьшения растворимости углерода (линия ES). По достижении температуры 7270С (линия PSK) аустенит, обедненный углеродом до 0,8% (точка S), превращаясь в перлит. Таким образом, после окончательного охлаждения структура до эвтектических чугунов состоит из перлита, цементита вторичного и ледебурита превращенного (перлит+цементит). Структура эвтектических чугунов при температурах ниже 727 0С состоит из ледебурита превращенного. За эвтектический чугун при температурах ниже 7270С состоит из ледебурита превращенного и цементита первичного. Правило фаз устанавливает зависимость между числом степеней свободы, числом компонентов и числом фаз и выражается уравнением: C = K + 1 - Ф, где С - число степеней свободы системы; К - число компонентов, образующих систему; 1 - число внешних факторов (внешним фактором считаем только температуру, так как давление за исключением очень высокого мало влияет на фазовое равновесие сплавов в твердом и жидком состояниях); Ф - число фаз, находящихся в равновесии.  а) б) Рисунок 1.1: а - диаграмма железо-цементит, б - кривая охлаждения для сплава, содержащего 3,0% углерода Сплав, содержащий 3% С, при температуре точки а находится в жидком состоянии. В точке Ь начинается затвердевание сплава; выделяющийся при этом аустенит содержит b'1b'2% С. В точке С сплав находится частично в жидком и частично в твердом состоянии; твердая часть представляет собой аустенит; содержание в нем углерода определяется отрезком с'1с'2: содержание углеродав жидкой части определяется отрезком с'1с'3. В точке d содержание углерода в жидкой части сплава достигнет d1C% (4,3%); содержание углерода в аустените составит d1E% (1,7%). С этого момента жидкая часть сплава распадается на эвтектику (ледебурит), состоящую из аустенита и цементита. Образование эвтектики происходит при постоянной температуре (1130°). В интервале температур от d до f происходит выделение из аустенита цементита (вторичного): содержание углерода в аустените уменьшается от d1E% (1,7%) до 0,83%, содержание углерода в аустените для точки е определяется отрезком е1с2. В точке f происходит превращение оставшегося аустенита в перлит. Ниже точки f структура состоит из перлита, цементита (вторичного) и ледебурита, в свою очередь состоящего из перлита и цементита. Вопрос 2. Выберите и обоснуйте марки сплавов для: а) кронциркуля, б) сердечника динамо-машины в) сварных деталей из алюминиевого сплава. А)Для кронциркуля важна износостойкость (чтобы губки и штанга не истирались, иначе врать будет), твердость (для обеспечения износостойкости, отсутствия забоин при эксплуатации, способности разметочные риски чертить) и прочность (чтобы от случайных ударов, например при падении, не деформировался). Частенько, но далеко не всегда, коррозионностойкость нужна. Тогда используют нержавеющую (хрома больше 13%) сталь мартенситного класса или хромируют. Поэтому, основное требование - твердость (и прочность), которые обеспечиваются закалкой (способность к закалке, в свою очередь обеспечивается в стали достаточного количества углерода. Твердость штангенциркуля из конструкционных и инструментальных сталей должна быть не менее 59 HRC, а из коррозионностойких (естественно закаливаемых) сталей, не менее 51,5 HRC. Бывает для уменьшения износа губки из твердого сплава делают. Тогда твердость под 85 HRA будет. Б) Магнито мягкие материалы применяют для изготовления сердечников динамо машин, электромагнитов, трансформаторов, динамо машин. Они намагничиваются в слабых магнитных полях Н < 5·104 А/м, вследствие большой магнитной проницаемости и малых потерь на перемагничивание. Т.е. в первую очередь магнито мягкие материалы должны иметь низкую коэрцитивную силу, а также высокую магнитную проницаемость в слабых, средних и сильных полях, низкие потери на перемагничивание и т.д. В) Сплавы алюминия классифицируются на две группы: термически упрочняемые и, соответственно, термически не упрочняемые. Среди термически не упрочняемых марок для сварки применяются алюминиево-магниевые сплавы марок АМг. Их химический состав соответствует ГОСТ 4784, а сортамент листов - ГОСТ 1946. См. таблицу 2.1 Таблица 2.1
Обозначения: п-полунагартованные; м-отожжённые; н-нагартованные; т-закалённые и подверженные естественному старению. * или хром в таком же соотношении С увеличением процентного содержания магния до 7%, свариваемость металлов ухудшается. При содержании магния до 3% увеличивается риск образования трещин, но сварной шов становится более плотным. Для уменьшения количества пор в сварном шве выбирают присадочную проволоку, в которой содержание магния выше, чем в свариваемом металле. Благодаря этому, пористость шва снижается. Для сварки высокопрочных конструкций применяются термически обрабатываемые алюминиевые сплавы - дюрали. Марки дюралей Д1, Д16 и Д19 широко используются при сварке плавлением. Сплав Д20 относится к удовлетворительной группе свариваемости сталей. Магниево-алюминиевые сплавы с содержанием алюминия до 11% удовлетворительно свариваются при сварке плавлением. А при таком способе сварки, как контактная сварка, свариваемость этих металлов хорошая. Вопрос 3. Выберите и обоснуйте способ получения трубы из полиэтилена. Кратко опишите этот способ В основе принципа производства полиэтиленовые трубы лежат технологии лежит выдавливание или экструзия. Полиэтилен нагревается до пластичного состояния и затем выдавливается через экструзионный блок посредством шнековой гидравлической подачи. Блок имеет профилированные отверстия, позволяющие изготавливать трубы любого сечения. Аналогичным способом производятся трубы ПВД. В конце трубы калибруют с помощью вакуума, фактически подгоняя их под один калибр. Готовые изделия с применением специального автомата сматывают в бухты либо режут на стандартные куски. Особого внимания заслуживает труба ПНД армированная, которая отличается от обычной более высокими показателями прочности. Для этих целей используются капроновые нити, процесс внедрения которых осуществляется во время выдавливания трубы. Армирование также выполняется с помощью полистирола и поливинилхлорида. Производство таких труб осуществляется на более дорогом автомате по сравнению с термопластом. Но и продукция существенно отличается по прочности: предельное давление, которое они способны выдержать, может достигать 30 атмосфер. Кроме этого, применяются разные виды армирования: двойное; с применением усиленной сетки; с использованием утолщенной нити. В результате такие изделия могут выдержать не только большое давление, но и существенные нагрузки на кручение и изгиб. Вопрос 4. Выберите и обоснуйте термическую обработку для кулачковой муфты из стали 15ХФ2. Цементация в твёрдом карбюризаторе. Технологический процесс диффузионного насыщения углеродом называется цементацией. Обычно после цементации сталь подвергают закалке и низкому отпуску. Поверхности, не подлежащие цементации, защищают гальваническим омеднением; толщина медного слоя составляет 0,02 - 0,05 мм. Цементации обычно подвергают такие детали машин, которые должны иметь износостойкую рабочую поверхность и вязкую сердцевину: зубчатые колеса, валы и пальцы, распределительные валики, кулачки, червяки и т.д. Процесс цементации в твердом карбюризаторе идет через газовую фазу. Наиболее распространенный твердый карбюризатор состоит в основном из древесного угля с добавкой 20 - 25 % ВаСОз для интенсификации процесса и 3 - 5 % СаСОз для предотвращения спекания частиц карбюризатора. Детали, подлежащие цементации, и карбюризатор упаковывают в контейнер и нагревают в печи до 910 - 930 °С. При нагреве уголь взаимодействует с кислородом остаточного воздуха по реакции 2С + 02 -> 2СО Кроме того, оксид углерода образуется в результате реакции ВаСОз + С → ВаО + 2СО На поверхности деталей протекает ведущая процесс цементации реакция диспропорционирования 2СО↔С02 + С в результате которой активный углерод адсорбируется насыщаемой поверхностью, находящейся в аустенитном состоянии, а СO2 взаимодействует с углем, образуя новые порции СО. Таким образом, в результате обратимой реакции диспропорционирования углерод переносится на насыщаемую поверхность. Типичная структура цементованного слоя на поверхности низкоуглеродистой стали после медленного охлаждения от температуры цементации состоит из заэвтектоидной, эвтектоидной, доэвтектоидной зон. Обычно ее сопоставляют со схемами:   Рис. 4.1. Участок диаграммы состояния Fe - Fe3C, а также изменение содержания углерода и структуры по толщине цементованного слоя h (схема) tц - температура цементации; tз1> tз2 - температура нагрева при первой и второй закалке соответственно. Принято различать полную и эффективную толщину цементованного слоя. За эффективную толщину принимают сумму заэвтектоидной, эвтектоидной и половины доэвтектоидной зоны слоя. Эффективная толщина цементованного слоя обычно составляет 0,5 - 1,8 мм и в исключительных случаях достигает 6 мм. Структура после цементации получается крупнозернистой в связи с длительной выдержкой деталей при температуре науглероживания. Длительность изотермической выдержки при цементации зависит от заданной толщины слоя и марки цементируемой стали. Термическая обработка после цементации. Для получения заданного комплекса механических свойств после цементации необходима дополнительная термическая обработка деталей. В зависимости от условий работы, а также от выбранной для изготовления детали стали, режим упрочняющей термической обработки может отличаться. Для малонагруженных трущихся деталей машин, испытывающих в условиях работы динамическое нагружение, в результате термической обработки нужно получить не только высокую поверхностную твердость, но и высокую прочность (например, для зубчатых колес - высокую прочность на изгиб), а также высокую ударную вязкость. Для обеспечения указанных свойств необходимо мелкое зерно, как на поверхности детали, так и в сердцевине. В таких случаях цементованные детали подвергают сложной термической обработке, состоящей из двух последовательно проводимых закалок и низкого отпуска. При первой закалке деталь нагревают до температуры на 30 — 50°С выше температуры Асз цементируемой стали. При второй закалке деталь нагревают до t32 с превышением на 30-50°С температуры Ас1 (рис. 4.1).  Рис.4.2 Схема термической обработки ответственных деталей машин после цементации: I-цементация, II-двойная закалка, III-низкий отпуск Окончательной операцией термической обработки является низкий отпуск при 160 — 200°С, уменьшающий остаточные напряжения и не снижающий твердость стали. Вопрос 5 . Выберите и обоснуйте способ обработки ленты толщиной 1 мм из бронзы при мелкосерийном производстве. Опишите этот способ. Образцы бронзы подвергаются термообработке в муфельной электропечи. Режим термообработки должен соответствовать указанному в таблице 5.1. Таблица 5.1
После выдержки образцов при указанной температуре выгрузить их из печи и охладить на воздухе. Твердые полосы и ленты толщиной до 1,5 мм включительно должны выдержать без образования трещин испытание на изгиб в холодном состоянии на 90° вокруг оправки диаметром, равным двум толщинам полосы (ленты). Вопрос 6. Выберите и обоснуйте способ сварки для изготовления развертки. Кратко опишите этот способ. Выбираем стыковую контактную сварку.Стыковую контактную сварку применяют для углеродистых, легированных сталей и разнородных металлов, например, при производстве режущего инструмента (свёрла, развёртки, метчики), элементов трубчатых конструкций, железобетонной арматуры и т. п. Это наиболее распространённый из всех видов сварки давлением, который сопровождается кратковременным разогревом зоны соединения с помощью электрического тока и пластическим деформированием соединяемых частей. Нагрев позволяет существенно снизить деформирующее усилие по сравнению с холодной сваркой. Основными видами контактной сварки являются стыковая, точечная и шовная. Рассмотрим сущность процесса на примере стыковой контактной сварки (рис. 6.1,а). Свариваемые заготовки3 закреплены взажимах-электродах2 машины1 силамиPз и прижаты друг к другу вдоль оси силойР. Электроды подключены к сварочному трансформатору6, обеспечивающему плотность переменного тока100–300А/мм2 и напряжение1–12В.  Рис. 6.1. Схемы контактной сварки: стыковой (а), точечной (б), шовной (в) Электрический ток нагревает заготовки, причём наибольшее количество теплоты выделяется в зоне контакта 4, где электрическое сопротивление большеиз-зашероховатости поверхности и наличия оксидных плёнок. После разогрева металл в зоне контакта 4 под действием сжимающего усилияР от механизма5 деформируется (осаживается) с вытеснением слоёв в радиальном направлении, что и обеспечивает возникновение сварного соединения по аналогии с холодной сваркой. Контактная сварка происходит без оплавления, когда материал свариваемых частей находится в твёрдом состоянии. Существуют машины для стыковой контактной сварки, использующие оплавление зоны контакта, например, при пульсирующем движении механизма 5. В момент смыкания заготовок происходит электрический разряд в отдельных точках контакта при высокой плотности тока, что вызывает расплавление микровыступов, а затем и всей поверхности контакта. Сжимающее усилие Р вытесняет жидкую фазу и обеспечивает возникновение металлических связей. Такой способ позволяет сваривать более крупные заготовки. Вопрос 7. Опишите классификацию клеевых материалов и укажите область их применения. Клеевые материалы – это коллоидные вязкие растворы, обладающие склеивающей способностью, то есть способностью образовывать твердую пленку, прочно сцепляющуюся с соединяемыми материалами. Клеевые соединения по сравнению с другими видами неразъемных соединений (заклепочными, сварными и др.) имеют ряд преимуществ: возможность соединения различных материалов (металлов и сплавов, пластмасс, стекол, керамики и др.) как между собой, так и в различных сочетаниях; стойкость к коррозии; герметичность соединения; возможность соединения тонких материалов и т. п. Основным недостатком клеевых соединений является их ограниченная теплостойкость (до 350°С), обусловленная органической природой клеев. В состав клеевых материалов входят следующие компоненты: пленкообразующие вещества – основа клея, которая определяет физико-механические свойства соединения; растворители, создающие определенную вязкость клея; пластификаторы – для устранения усадочных явлений в пленке и повышения ее эластичности; отвердители и катализаторы для перевода пленкообразующего вещества в термостабильное соединение; наполнители – для уменьшения усадки клеевой пленки и повышения прочности соединения. Клеи классифицируют по ряду признаков. В зависимости от применения различают клеи конструкционные, предназначенные для соединения деталей, воспринимающих нагрузки, и неконструкционные – для соединения ненагруженных деталей. По условиям отвердения клеи бывают для холодного и горячего склеивания, по состоянию при поставке – жидкими, порошкообразными (с предварительным растворением) и пленочными (в виде пропитанных пленок, ткани, бумаги и т. д.). Наибольшее распространение получили жидкие клеи. Клеи, полученные на основе синтетических смол, применяют в сельскохозяйственном машиностроении для оклеивания деталей и элементов конструкций из различных материалов. Клеи могут быть изготовлены на основе чистых смол и с добавками каучука, термопластов для уменьшения хрупкости при склеивании. Клеи на основе модифицированных фенолформальдегидных смол применяют для склеивания металлических силовых элементов, конструкций из стеклопластиков и т. п. К ним относятся фенолполивинилацеталевые и фенолкремнийорганичеокие клеи. Фенолкаучуковые клеи (ВК–32–200, ВК–4 и др.) применяют для соединений, воспринимающих циклические нагрузки. Они тепло- и водостойкие, поэтому используются в любых климатических условиях. Фенолполивинилацеталевые клеи (БФ–2, БФ–4) применяют для склеивания металлов, пластмасс, керамики, стекла и их различных сочетаний. Фенолкремнийорганические клеи (ВК–18, ВК–18М) обладают прочностью, вибростойкостью, термостойкостью, водостойкостью. Клеи на основе эпоксидных смол способны образовывать прочные соединения как между металлами, так и между металлами и различными пластическими массами. Выпускаются клеи с холодным (Л–4, ВК–9, КЛН–1 и др.) и горячим (ВК–32–ЭМ, К–153, ФЛ–4С и др.) способом отвердения. Полиуретановые клеи (ПУ–2, ВК–5, ВК–П и др.) обладают хорошей вибростойкостью и прочностью, а также стойкостью к нефтяным продуктам. Клеи на основе кремнийорганических соединений (ВК–2, ВК–8, ВК–16 и др.) имеют высокие диэлектрические свойства, устойчивы к маслу, бензину. Их применяют для склеивания легированных сталей, титановых сплавов, стеклопластиков и др. Резиновые (каучуковые) клеи используют для соединения резиновых и металлических деталей в различных сочетаниях, основные марки 88Н, 88НП, 9М–35Ф, ФЭН–1. Герметики на смоляных (У–20А, НИАТ–1, ВИ–32–3) и каучуковых (У–30, ВТУР) композициях применяют для герметизации клапанных, болтовых и сварных соединений из стали и сплавов титана, алюминия и магния. Список литературы Материаловедение: учебник для студ. Учреждений сред.проф. образования ( Ю.П. Солнцев , С.А. Вологжанина , А.Ф. Иголкие) 9-е изд., стер.- М.: Издательский центр «Академия» 2014-496с. Ржевская С.В. Материаловедение: учеб. Для вузов.-4е изд. Перераб. И доп.- М.: Логос, 2005.-424с. Материаловедение ( металлообработка): Учебник для нач. проф. Образования: учеб. Пособие для проф. Образования (А.М. Адаскин, В.М. Зуев).-3-е изд., стер.- М.: Издательский центр «Академия» 2014-240с. | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||